Les progrès de la microélectronique imposent de faire évoluer les mémoires vers des dispositifs rapide et à haute densité d'intégration. Cependant, l'obtention de produits fiables passe en premier lieu par le développement des procédés de fabrication, la compréhension des problèmes de fiabilité et l'analyse physique de défaillances. Les travaux réalises durant cette thèse portent ainsi sur l'analyse de défauts et la caractérisation physique de cellules mémoires par microscopie électronique en transmission. Quatre thèmes de recherche ont été abordés. Le premier porte sur l'étude des dégradations microstructurales de cellules EEPROM produites par la société STMicroelectronics après sollicitations électriques et thermiques. Ensuite, l'architecture innovante SQeRAM, développée par STMicroelectronics, a été caractérisée, le but étant d'appréhender la microstructure des zones de stockage de charges, et de comprendre l'origine physique des performances en rétention de ces dispositifs. Une collaboration avec Crocus Technology nous a permis ensuite de participer au développement des procédés de fabrication d'une nouvelle génération de mémoires magnétorésistives (TA-MRAM). Ici, la microstructure de différents empilements magnétiques constituant les éléments de mémorisation de ces dispositifs a été caractérisée. Enfin, le dernier axe de recherche abordé concerne une nouvelle génération de mémoires macromoléculaires non volatiles à commutation de résistance basée sur le complexe organométallique CuTCNQ et sa croissance dans des structures d'interconnexion a été étudiée selon divers procédés développés à l'IMEC et à l'Université technique d'Aachen